Хрупкое разрушение

Хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее, чем вязкое. Это наиболее опасный вид разрушения, идущий катастрофически быстро и под действием сравнительно низких напряжений. Металлы и сплавы идеально хрупко (без предшествующей пластической деформаций) не разрушаются. Хрупкая трещина так же, как и вязкая, возникает в результате пластической деформации.

В отличие от вязкого, хрупкое разрушение может быть не только внутризёренным, но и межзёренным. Последнее наблюдается особенно часто в сплавах, где по границам зерен располагаются прослойки второй фазы.

При межзеренном (интеркристаллитном) разрушении трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии на границах второй фазы - вдоль межфазной поверхности или вдоль поверхности скола внутри включений. В зависимости от характера распространения трещины структура поверхности разрушения получается различной. Структура поверхности скола у вершины развивающейся хрупкой трещины резко отличается от вязкого излома. При простом осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутрикристаллитный скол не идеально гладок. На поверхности его обычно имеются ступеньки, придающие структуре вид ручьистых узоров (рис. 7 а).

Pис.7. Микроструктура изломов: а - хрупкий скол; б - межзеренный хрупкий скол; в- межзеренное разрушение /двухфазного сплава; г- квазискол; д – разрушение по границам зёрен.

В поликристаллических образцах вид этих узоров при переходе от зерна к зерну меняется. Каждая линия узора соответствует разнице в уровнях, т. е. ступеньке на поверхности излома. Появление ступенек в некоторых случаях связано с тем, что разрушение идет путем распространения одновременно нескольких параллельных трещин, которые соединяются друг с другом вследствие разрыва тонких перемычек. Но во многих случаях хрупкое разрушение происходит путем распространения одной трещины (этим оно тоже отличается от вязкого разрушения, при котором развивается множество трещин). В этом случае причиной образования уступов может быть, например, пересечение трещиной винтовых дислокаций, которые располагаются на пути распространения фронта трещины. Если она развивается вдоль кристалла (рис. 8 а) и встречает на своем пути две винтовые дислокации, то после разделения кристалла на две половины поверхность каждой из них будет содержать две ступеньки (рис. 8 б).

Рис.8. Кристалл с винтовыми дислокациями (а) и образование ступенек на поверхности его хрупкого излома после разрушения (6)

В процессе развития трещины такие ступеньки могут укрупняться. В результате пересечения множества дислокаций и слияния элементарных ступенек высотой b возникают ступеньки, высота которых достаточна для их выявления при микроскопическом анализе (рис. 7 а).

Другой возможный механизм возникновения ступенек на поверхности скола - появление зародышевой микротрещины в одной плоскости и ее постепенный переход в другую плоскость скола с образованием ряда уступов. Краевые дислокации не могут быть причиной образования ступенек: на малоугловых наклонных границах хрупкая трещина только меняет направление.

Рельеф межзеренноro скола в однофазном металле или сплаве соответствует форме межкристаллитной границы. Обычно он относительно гладкий, а неровности имеют микроскопические размеры и не образуют каких-либо характерных рельефных особенностей (рис. 7 б). При наличии на границах зерен выделений избыточной фазы они легко выявляются в структуре излома (рис. 7 в). По этой структуре можно более точно оценить истинную форму, размеры и долю межзеренной поверхности, занимаемой частицами второй фазы. В общем случае поверхность скола состоит из совокупности внутрикристаллитных и межкристаллитных фасеток. Фасетки, образующиеся при раскалывании элементов внутризеренной структуры (целого зерна, субзерна, колонии эвтектики или эвтектоида и т. п.), представляют собой сечение соответствующего элемента структуры по плоскости скола. Межкристаллитная фасетка - это поверхность разрушения одного зерна. На рис. 7 б виден стык трех таких фасеток, которые обычно имеют форму многогранников.

На (рис. 7 а-в) показаны простейшие, самые характерные виды структур вязкого и хрупкого излома. Однако при фрактографическом анализе встречается множество других, промежуточных разновидностей структуры изломов, и их идентификация уже более сложна и не так однозначна. Например, при развитии хрупкой трещины с относительно широкой пластической зоной формируется структура «квазихрупкого» излома с плоскими неглубокими ямками (рис. 7 г), похожими на те, которые наблюдаются на стенках вязкого чашечного излома. Иногда трещина внутризеренного скола проходит по границам элементов внутризеренной структуры, например по границам субзерен. В этом случае образуется своеобразный рельеф излома с так называемыми субкристаллитными фасетками (рис. 7 д).